陈俊宇
国家石油天然气管网集团有限公司华南分公司
摘要：成品油长输管道启输或运行过程中，各类操作导致发生水击现象，引起管道区部超压、液柱分离等现象。介绍输油管道水击发生的原因，计算分析华南管道压力异常上涨，验证管道发生水击详细情况。分析管道水击预防措施，自动泄压、水击超前保护，提出各类工况优化。
关键词：成品油输油管道；水击计算分析；水击防护措施
一、管道水击产生原因和计算
成品油输送过程中，因流量变化、中间站启停下载、泵切换等情况，会使整个水力系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。油品在管道因原有的流体惯性，在工况变化的过程中，液体流速发生改变引起的压力瞬变的过程中，进行能量转换，由原有的动能转变为压能，这就称为水击。
根据茹科夫斯基公式，由于液流速度的瞬时变化所引起的水击压力变化为
P=ρa(v0-v)，式中ρ为液体密度，kg/m3；a为水击波在该管道中的传播速度，m/s；v0—正常输油时液体流速，m/s;v—突然改变后的液体流速，m/s；
管道流速计算公式为v= ，式中Q为管道内瞬时流量 m3/s；R为管道内径 m。
压力波在管道传播速度取决于管壁的弹性和液体的压缩性，其关系为
a= ,式中E为管材弹性模量，Pa;D为管道内径，m；δ为管壁厚度，m；K为液体的体积弹性系数，Pa;
对于一般的钢质管道，压力波在油品中的传播速度大约为1000~1200m/s。
二、成品油输送管道水击分析
1、管道不满流产生水击现象分析
输油管道启输时，管内油品由静态转变成动态，输油泵启动时，可作为油品状态变化瞬间。当管道满流的情况下，管内油品因流体惯性，输油泵对油品进行均匀做功，此时油品流速变化小且管道内各处流速相等。若管道内存有气体，当输油泵对油品做功时，因输油泵出口的气体惯性小，经由输油泵输出的油品速度提升快，同时对管内气体进行压缩，导致管道内油品流速不一致且不可控。此时管道内油品部分流速快，部分流速慢， 当流速不一的油品接触后，两股油品流速发生变化，引起压力瞬变，从而产生水击。
以国家管网销售华南公司南沙-南海段为例，南沙站给油泵距离主输泵约500米，该站启输前需要启动给油泵，利用给油泵出口压力为主输泵区进行排气。某次启输，正常启输给油泵后，当给油泵出口阀门打开，站内压力涨至1.62Mpa。该站给油泵扬程为60m。站内流量计瞬间流量最高达171m3/h后迅速降至0m3/h。
根据公式可得，站内柴油流速变化v=0.969m/s，瞬间水击压力P=0.92mpa,站内压力P1=P给+P，P1=1.56Mpa。计算结果与实际数据相仿，初步判断因站内人员进行温升泄压时，将站内管道内油品排空，。当启给油泵时，泵出口油品流速提升迅速，当油品到达出站止回阀时，因站外压力高于站内压力，止回阀无法打开，站内油品流速降至为0，产生水击波。水击波与给油泵出口压力发生叠加，导致站内压力高于泵出口压力。而后站内进行排气，再次进行启输时，站内压力仅有0.71Mpa。也可反向证明该次启输站内压力异常因管道存在气体，发生水击过大造成。
输油管道发生水击的原因是管内油品流速变化产生，上文论述了因外界机械对管道油品做功，输油管道内能量增加，因管道不满流导致油品流速变化过大而产生的水击现象。停输管道内自身存储的压能因管道设备操作引起压力变化同样会发生水击现象。例如某站场进站阀两测压差过大，阀门打开时引起的压力瞬变，管道内油品因为压力差作用下发生流动，若管道内存有气体，气体易于压缩，则高压端油品流速加速大，也因油品的不连续导致流速不一致，流速不一的油品相遇发生水击。该现象多见于输油管段的末端。末站输油站因温升泄压或清洗进站过滤器等原因，站内减压阀前管线或设备时有排空油品需要。某些站场因站前存在翻越点，按照要求停输时管道不拉空，则停输后进站静压较大。如西南管道中的长坡站，某次停输管存柴油时进站静压为3.38Mpa。假设长坡站内减压阀前管线不满管，管线内压力约为0Mpa。
此时该站进行油品下载，打开进站阀瞬间，进站压力迅速下降到1.81Mpa，随后上涨至4.47Mpa。此时进站减压阀开度5%，下载流量计走数为0。可判断因进站阀前后压差大，打开进站阀时，站外油品迅速流入站内，但减压阀开度过小，仅有少量油品通过，大部分油品被阻挡，油品流速迅速降低，引发水击。长坡站进站管径为261.9mm，站内管径200mm，同一管道内流量相等，根据公式可得 ，P2=2.65Mpa。PMAX=P1开+P2=4.46Mpa，计算结果与实际数据相符。由此可证明，该站进行下载前站内管线存在不满管或是过滤器油品排空，导致下载后进站压力异常上涨。
长输管道中，中间管段高点位置容易发生高点拉空现象。此处同样容易发生水击现象，因此不管是停输或运行管段都应该避免高点拉空。
2、运输管段中发生水击分析
运行输油管道发生水击多见于因供电问题或联锁保护导致泵机组停运、干线截断阀因检修误操作或闸板掉落、下载站场流程关闭等原因造成。长输管道运行或停输时，中间站停泵或切换泵，管内油品流速发生变化，同样会发生水击现象。正在高速流动的油品突然停止，动能转变为势能，产生的压力称为势涌水击。此时上游站场若不及时停泵降量，持续往下游站场输油，导致管道膨胀容纳上游来油，称为充装压力。发生水击处的压力为势涌水击和充装压力之和。目前成品油输送大多数采用密闭输送工艺，输油计划又是瞬息万变，根据市场需求以及油源供给情况，管道输油流量随时都在变化。相对应地整体管道的主输泵配置跟随着流量的变化而进行变更，此时管道内就无可避免地发生水击。针对正常输油时发生的水击，对管道操作的考验就是如何降低水击程度及其影响。
三、水击防护措施
1、管道启输前充分排气
管道内存有气体会导致整个水力系统失衡，油品流速变化不连续，因此管道内应该保持满流状态。但停输时因各类原因出现管内存有气体时，通过设备的排气阀以及输油罐油品静压，对管道进行充分排气，能够有效避免水击发生。
2、自动泄压保护
输油管道在日常情况中无法完全避免水击的发生。当发生水击时，首要任务就是降低水击发生后的影响。输油站的进出站配置水击泄放阀，根据各个站场管道压力承受程度进行相应的定压。当进出压力达到设定值时，水击泄放阀将会自动动作打开，将管道中的压力进行泄放至设定值以下。分输站场的下载线同样配置安全阀或水击泄放阀，当站内发生水击后，下载阀联锁关闭，然后对站内管段进行泄压。自动泄压保护通过设备机械物理动作对管道进行保护。
3、SCADA系统超前保护
SCADA系统超前保护是对站场压力变送器数据监控分析，检测数据异常后，通过软件内预先编写逻辑程序，自动对管道设备操作，起到保护管道的作用。当进出站压力变化异常，压力变化值被判断为发生水击后，SCADA系统执行水击超前保护程序，对上游泵站进行停泵、加大下载量等操作，以此降低管道内压力，避免管道超压。
4、工况优化
自动泄压保护、SCADA系统超前保护均为自动保护，优点是快速响应。缺点是存在误动作的风险。而正常输油操作中，可对整体水力系统进行优化，提高管道容错率。一种方法是降低管道内压力，发生水击时压力保持着管道承压等级以内，防止管道破裂。如某段输油管段的中间管道压力接近泄压值，通过上游站场停泵，下游站场增泵，达到水力系统能量不变，降低特定管道间压力。通过加注减阻剂，减少油品在管道内的沿程摩阻，降低站间的压力差，也能降低水击导致管道破裂的风险；一种方法是保持管道内油品流速，降低水击发生时压力变化，达到保护管道作用。如对于中间分输站场条件允许下，当没有下载计划时，依然保持下载流程导通，水击发生时能及时进行油品下载，降低管内压力；站场通过出站调节阀提前降低站内流量，进行切换或启停输油泵时，油品流速变化小，有效降低水击。
四、结束语
成品油输油管道原则上应该尽量避免水击的发生，华南管网的成品油输油管道配置自动泄压、SCADA系统超前保护、人工实时监控，能有效预防水击产生并控制水击发生后对管道和设备的破坏。
参考文献：
[1]黄春芳 梁建新等 ，石油管道输送技术（第二版）；中国石化出版社，2018.
[2]杨筱蘅，输油管道设计与管理[M]，北京；中国石油大学出版社，2006.